撰文

陈明水李衡讷李玉峰吕晓睿阮曼奇周宁

根源

《当代物理学识》

自从文化降生之日起，人类便延续在探求这个全国究竟是由甚么构成的，它又因此奈何的规律运行的。多年前的古华夏，人们曾经以为全国是由金、木、水、火、土这5种元素构成。公元前6世纪，古希腊哲学家提议了物资是由根底粒子构成的揣测。年约翰·道尔顿正式提议一齐物资是由原子构成的理论。到了20世纪，跟着近代物理学的起色和本领的进取，人们逐步完备了深入明白原子的能耐，领会到原子是由更根底的粒子构成的，而且也许定量地协商其彼此做使劲。在人类文化史中，物资的根底构成及其彼此影响不停是人类认知范围最前沿的题目，而粒子物理学即是当代物理学中协商这个根底题目的分支。

在曩昔的三四十年里，物理学家逐步创造了粒子物理的“准则模子”框架（图1）。在这个框架里，人们因此根底粒子的观念明白这个全国的。

图1粒子物理准则模子

根底粒子分为两类，构成物资的费米子和传播彼此影响的玻色子。物资粒子分为轻子和夸克2个典范，每个典范又有3代6个之分。上夸克和下夸克构成了六合中绝大部份物资的原子核，而原子核加之核外电子构成了原子，原子又进一步构成了分子，分子既而构成了包罗咱们每一集体的肉体在内的六合万物。六合中尚有不可胜数的中微子在穿行，很少与物资产生彼此影响，数以亿计的中微子时时刻刻都在穿过人的肉体。其余的夸克和轻子寿命时时很短，在六合射线中会呈现，或在高能加快器中被刹那形成出来。这些物资之间的彼此影响由玻色子传播。此中电磁彼此影响由光子来传播，弱彼此影响由W和Z玻色子传播，强彼此影响由胶子来传播。除此以外尚有一个希格斯(Higgs)玻色子，它是予以物资粒子原料的希格斯场的激起态，是准则模子中着末一个被发觉的粒子。

准则模子即使很胜利，但它不能解说统统题目。如准则模子中并不包罗人们通常糊口中感想到的万有引力。怎样将引力统一加入，到当今为止依然是个迷，仍无奈明白从天文学视察中所预言的形成六合加快膨胀的暗物资和暗能量。据盘算，要是六合的加快膨胀是由暗物资和暗能量形成的，那暗物资和暗能量要侵夺六合总量的96%，而粒子物理准则模子只可形容六合总量的不到4%。除此以外，物资粒子都有其对应的反物资粒子，正、反物资的数目要是严酷相等，那这个正物资构成的全国是不存在的。

为解开这个由正物资构成的全国得以存在的谜团，人们哄骗当代科技建造了各式测验装配。此中包罗位于欧洲核子协商重心(CERN)的大型强子对撞机、位于北京的北京正负电子对撞机、位于日本筑波的高能加快器设备、位于广东沿海的大亚湾中微子测验、位于四川锦屏山地道中的锦屏地下测验室以及发射到天外中的“悟空”探测器等。本文从希格斯物理和新物理找寻、中微子物理、暗物资协商、新强子态及将来对撞机协商等方面讲解年粒子物理学的起色。

希格斯物理和新物理找寻

在粒子物理准则模子理论中，希格斯粒子侵夺着相当重要的场所，负责了根底粒子的原料本原。在年，希格斯粒子被位于欧洲核子协商重心的大型强子对撞机(LHC)上的两大测验组超环面仪器(ATLAS)和紧凑缪子线圈(CMS)同时发觉，这是人类发觉的第一个根底标量粒子，也是准则模子框架中着末一个被发觉的粒子。然则受限于数据量，科研人员对它的属性尚没有充裕详细的领会。它的属性能否与准则模子理论的推断符合，尤其是它能否如准则模子理论所预言的与费米子也有直接彼此影响，这些题目是哄骗希格斯粒子施行新物理找寻的打破口，需求测验上获得更大都据施行检修，是LHC的重要物理标的之一。

年12月LHC结尾了自年着手的第二轮运行，CMS和ATLAS测验别离搜罗了约fb-1质心能量为13TeV的质子-质子对撞数据，以后加入了为期2年的长停机及保护进级阶段。在基于前期部份对撞数据的解析中，CMS和ATLAS测验组于年别离自力地以超出5倍准则差池的统计显著性前后发觉并确认了希格斯粒子与顶夸克粒子（topquark，准则模子理论中最重的夸克）伴有形成的机制和希格斯粒子究竟夸克粒子的衰变形式，结尾了希格斯粒子与第三代费米子直接彼此影响的测验视察。这些成效录取了美国物理学会评选的年度国际物理学十猛起色。此中，华夏ATLAS和CMS协商团队也在这些成效中做出了重要孝敬。当今测验上测得的希格斯粒子与根底粒子的彼此影响强度在数个量级的原料区间与准则模子的推断在测验同意的过错界限内符合(图2)。

图2希格斯粒子同根底粒子的耦合常数丈量及其同准则模子预言的比较

在超出准则模子的新物理找寻方面，CMS和ATLAS两大测验组依然没有任何显著的偏离准则模子理论推断的公然成效。当今，协商人员正在告急地对第二轮运行搜罗的所稀有据施行解析。首批基于统统数据的物明白析成效将希望于年接踵公告。届时希格斯粒子性质的丈量及洪量新物理找寻的灵巧度城市有显著擢升，希望获得新的重猛起色。

中微子物理

近来20年来，中微子科学的协商获得赶快的打破，从年日本超等神冈测验发觉大气中微子震撼到年加拿大SNO测验发觉太阳中微子味转折效应，再到年华夏大亚湾测验发觉θ13启动的新式震撼形式。一系列中微子震撼的测验成效设立了三代中微子震撼的完备框架。

准则模子存在三代费米子，而响应的中微子别离为电子中微子、μ型中微子和τ型中微子。三代中微子的震撼景象也许用中微子搀杂矩阵式以及2个自力的原料平方差形容。此中3个搀杂角θ12、θ13和θ23示意不同典型中微子之间的转折强度，δ相位形容中微子和反中微子之间震撼行动的区别。其余，要是中微子的反粒子是其自身，也即是具备马约拉纳(Majorana)粒子属性，那末中微子搀杂矩阵还将包罗2个马约拉纳相位。马约拉纳相位不影响中微子震撼效应，然则会呈目前摧残轻子数的无中微子双贝塔衰变(0νββ)进程。

年中微子范围的远大事情，最显著的是南极的冰立方(IceCube)测验初次视察到迢遥星系的耀变体发出的高能中微子记号(图3)，而且与美国费米伽玛射线天外望远镜等寰球多家光学望远镜视察到的记号一致，初次实行了高能中微子记号介入的多信使的天文学视察，具备远大的首创意义。此次耀变体的视察和年中子星归并事情的引力波和光学记号连结视察一同促使了多信使天文学期间的到临。此成就被《Science》评为杂志年度最重要的十大科学打破之一。

图3冰立方测验视察的耀变体高能中微子记号(IceCube-A)

年，中微子震撼的测验协商也取患有一系列重要起色。华夏的大亚湾中微子测验再次颁布了搀杂角θ13和原料平方差的丈量，精度别离达3.4%和2.8%。此中θ13持续坚持国际当先身分，原料平方差的精度曾经也许和加快器中微子测验最好的成效相当。其余震撼参数方面，日本的加快器中微子测验T2K在2σ相信程度发觉CP摧残的迹象，且其最好拟合值和“最大CP摧残”一致；几个加快器和大气中微子测验都在2σ左右偏向“正原料次第”，即使成效的相信程度还很低，但这些测验“兴趣的一致性”值得持续

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